【儀器儀表商情網 技術分析】系統(tǒng)設計人員正面臨越來越多的挑戰(zhàn)，他們需要在不降低系統(tǒng)組件(例如：高速 數據轉換器)性能的情況下讓其設計最大程度地節(jié)能。設計人員們可能會轉而采 用許多電池供電的應用(例如：某種手持終端、軟件無線設備或便攜式超聲波掃 描儀)，也可能會縮小產品的外形尺寸，從而需要尋求減少發(fā)熱的諸多方法。
極大降低系統(tǒng)功耗的一種方法是對高速數據轉換器的電源進行優(yōu)化。數據轉換器設計和工藝技術的一些最新進展，讓許多新型ADC可以直接由開關電源來驅 動，從而達到最大化功效的目的。
系統(tǒng)設計人員們習慣在開關穩(wěn)壓器和ADC之間使用一些低噪、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)，以清除輸出噪聲和開關頻率諧波(請參見圖1)。但是，這種干凈的電 源設計的代價是高功耗，因為LDO要求壓降余量來維持正常的運行。最低壓降 一般為200到500mV，但在一些系統(tǒng)中其可以高達1到2V(例如，ADC的3.3-V電壓軌產生自一個使用LDO的5V開關電源時)。
圖1從傳統(tǒng)電源轉到最大功效電源
就一個要求3.3-V電壓軌的數據轉換器而言，300mV的LDO壓降增加約10%的ADC功耗。這種效應在數據轉換器中得到放大，因為它具有更小的工藝節(jié)點和更低的電源電壓。例如，1.8V時，相同300-mV壓降增加約17%(300mV/1.8V)的ADC功耗。因此，將該鏈的低噪聲LDO去除可以產生巨大的節(jié)能效果。去除LDO還可以降低設計的板級空間、熱量以及成本。
本文闡述了包括超高性能16位ADC在內的一些TI高速ADC可在ADC性能無明顯降低的條件下直接通過開關穩(wěn)壓器驅動。為了闡述的方便，我們對兩款不同的數據轉換器(一款使用高性能BiCOM技術(TI的ADS5483)，另 一款使用低功耗CMOS技術(TI的ADS6148)進行了開關電源噪聲敏感性研 究。本文的其他部分對所得結果進行了一一介紹。
BiCOM技術—ADS5483
這種工藝技術實現(xiàn)了寬輸入頻率范圍下的高信噪比(SNR)和高無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。BiCOM轉換器一般還具有許多片上去耦電容和非常不錯的電源抑制比(PSRR)。我們對ADS5483評估板(ADS5483EVM)進行了電源研究，其具有一個使用TITPS5420開關穩(wěn)壓器(Sw_Reg)的板上電源;一個低噪聲LDO(TI的TPS79501);以及一個外部實驗室電源使用選項。我們使用圖2所示不同結構實施了5次實驗，旨在確定ADS5483通過一個開關穩(wěn)壓器直接運行時出現(xiàn)的性能降低情況。由于ADS5483模擬5-V電源到目前為止表現(xiàn)出對電源噪聲的最大敏感性，因此該研究忽略了3.3-V電源的噪聲。ADS5483產品說明書中列出的PSRR支持這種情況：兩個3.3-V電源的PSRR至少高出5-V模擬電源20 dB。
圖2使用ADS5483EVM的5次實驗電源結構
5次實驗的結構變化配置如下：
實驗1—一個5-V實驗室電源直接連接到5-V模擬輸入，同時繞過開關穩(wěn)壓器(TPS5420)和低噪聲LDO(TPS79501)。使用一個板上LDO(TI的TPS79633)生成ADS5483低敏感度3.3-V模擬及數字電源的3.3-V電壓軌。
實驗2—將一個10-V實驗室電源連接到TPS5420降壓穩(wěn)壓器，其使用一個5.3-V輸出。這樣可為TPS79501提供一個300-mV壓降，從而生成一個5-V電壓軌。
實驗3—使用TPS5420，從10-V實驗室電源生成一個5-V電壓軌。本實驗中， 我們繞過了TPS79501低噪聲LDO。圖3a表明，如“實驗2”連接的LDO較 好地減少了開關穩(wěn)壓器的5.3-V輸出峰值電壓。但是，圖3b表明5-VVDDA電壓軌鐵氧體磁珠之后輸出沒有巨大的差異。
圖3實驗2(使用LDO)和實驗3(無LDO)的示波器截圖對比
實驗4—本實驗配置方法與“實驗3”相同，但去除了TPS5420輸出的RC緩 沖器電路，其會引起高振鈴和大開關頻率雜散。我們可在圖4中清楚的觀察到RC緩沖器電路的影響。去除LDO并沒有在鐵 氧體磁珠之后表現(xiàn)出明顯的差異，而去除RC緩沖器電路則會導致更大的清潔5-VVDDA電壓軌電壓峰值進入ADC。我們將在稍后詳細研究RC緩沖器電路的 影響。
圖45-VVDDA電壓軌的電源噪聲
實驗5—將一個8-Ω功率電阻連接到5-V電源，模擬如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等額外負載。TPS5420必須提供更高的輸出電流，并更努力地驅動其內 部開關，從而產生更大的輸出雜散。通過重復進行“實驗2”、“實驗3”和“實驗4”可以測試這種配置。
測量結果
我們利用輸入信號頻率掃描對比了5個實驗。先使用135MSPS采樣速率然后 使用80 MSPS采樣速率對三個ADS5483EVM實施了這種實驗，均沒有觀察到 巨大的性能差異。在使用135-MSPS采樣速率情況下，SNR和SFDR的頻率掃描如圖5所示。 在10到130MHz輸入頻率下SNR的最大變化約為0.1dB。SFDR結果也非 常接近;在某些輸入頻率(例如：80MHz)下，可以觀測到下降1至2dB。
圖5 10到130MHz輸入頻率掃描
5個實驗的FFT曲線圖對比(請參見圖6)顯示噪聲底限或雜散振幅沒有出現(xiàn) 較大的增加。使用LDO清除開關噪聲使得輸出頻譜看起來幾乎與干凈5-V實 驗室電源完全一樣。去除LDO以后，我們觀測到從開關穩(wěn)壓器產生了兩個雜散， 其具有一個來自10-MHz輸入音調的約500 kHz頻率偏置。RC緩沖器電路降低這些雜散振幅約3dB，從約–108dBc降到了約–111dBc。這一值低于ADS5483的平均雜散振幅，其表明ADS5483可以在不犧牲SNR或SFDR性 能的情況下直接由一個開關穩(wěn)壓器來驅動。
圖6 500-kHz偏置雜散65k-點FFT圖
RC緩沖器降壓穩(wěn)壓器輸出能夠以相當高的開關速度對非常大的電壓實施開關操作。本文 中，將TPS5420的輸入電壓軌設定為10V，我們可以在輸出端觀測到許多過沖和振鈴，如圖7a所示。為了吸收一些電源電路電抗能量，我們將RC緩沖電 路添加到了TPS5420的輸出(請參見圖7b)。該電路提供了一個高頻接地通路， 其對過沖起到了一些阻滯作用。圖7a表明RC緩沖器降低過沖約50%，并且 幾乎完全消除了振鈴。我選用了R=2.2Ω和C=470pF的元件值。穩(wěn)壓器的開關頻率范圍可以為500kHz到約6MHz，具體取決于制造廠商，因此可能需 要我們對R和C值進行調節(jié)。這種解決方案的代價是帶來一些額外的分流電 阻AC功耗(盡管電阻非常的小)，其降低穩(wěn)壓器總功效不足1%。
圖7TPS5420開關穩(wěn)壓器
我們將10MHz輸入信號標準化FFT圖繪制出來，以對比“實驗1”到“實驗4”(請參見圖8)。TPS5420的雜散在約500kHz偏置時清晰可見。緩沖器降低雜散振幅約3dB，而低噪聲LDO則完全消除了雜散。需要注意的是，RC緩沖器(無LDO)的雜散振幅約為-112dBc，遠低于ADS5483平均雜散振幅，因此SFDR性能并未降低。
圖8“實驗1”到“實驗4”的標準FFT圖
在“實驗5”中，我們將一個8-Ω功率電阻添加到5-VVDDA電壓軌，旨在模擬 電源的重負載。標準化FFT圖(請參見圖9)并未顯示出很多不同。去除RC緩 沖器以后，雜散增加約4.5dB;其仍然遠低于平均雜散振幅。
圖9添加8-Ω負載的標準化FFT圖
CMOS技術—ADS6148
當關注如何在保持較佳SNR和SFDR性能的同時盡可能地降低功耗時，我們一般利用CMOS技術來開發(fā)高速數據轉換器。但是，CMOS轉換器的PSRR一般并不如BiCOMADC的好。ADS6148產品說明書列出了25dB的PSRR， 而在模擬輸入電源軌上ADS5483的PSRR則為60dB。
ADS6148EVM使用一種板上電源，其由一個開關穩(wěn)壓器(TPS5420)和一個低 噪聲、5-V輸出LDO(TPS79501)組成，后面是一些3.3-V和1.8-V電源軌的低噪聲LDO(請參見圖10)。與使用ADS5483EVM的5個實驗類似，我們 使用ADS6148EVM進行了下面另外5個實驗，其注意力只集中在3.3-VVDDA電壓軌的噪聲上面。1.8-VDVDD電壓軌外置TPS5420實驗表明對SNR和SFDR性能沒有什么大的影響。
圖10使用ADS6148EVM的5個實驗電源結構
實驗6—將一個5-V實驗室電源連接到兩個低噪聲LDO(一個使用3.3-V輸 出，另一個使用1.8-V輸出)的輸入。LDO并未給實驗室電源帶來任何有影響 的噪聲。
實驗7—將一個10-V實驗室電源連接到TPS5420降壓穩(wěn)壓器，其與一個5.3-V輸出連接，像“實驗2”連接ADS5483一樣。TPS79501生成了一個過濾后的5.0-V電壓軌，其向3.3-V輸出和1.8-V輸出LDO提供輸入，如圖10所示。
實驗8—所有3.3-VVDDA電壓軌LDO均被繞過。TPS5420配置為一個3.3-V輸出，該輸出直接連接到3.3-VVDDA電壓軌。TPS79601生成1.8-VDVDD電壓軌， 并通過一個外部5-V實驗室電源供電。
實驗9—該實驗配置方法與“實驗8”相同，但去除了TPS5420輸出的RC緩 沖器電路。
實驗10—一個4-Ω功率電阻連接到TPS5420的3.3-V輸出。這樣做可極大地增加TPS5420的輸出電流，從而模擬一個附加負載。另外，像“實驗5”的ADS5483一樣，它帶來了更高的開關雜散和更多的振鈴。
圖11顯示了“實驗7”、“實驗8”和“實驗9”產生的一些3.3-VVDDA輸出波 形。有或無LDO的峰值電壓振幅存在一些差異，但RC緩沖器可降低60%的 峰值噪聲。
圖11鐵氧體磁珠后測得3.3-VVDDA電壓軌實驗示波器截圖對比
測量結果
利用輸入信號頻率掃描，通過對比“實驗6”到“實驗10”，我們可以研究ADS6148對電源噪聲的敏感性。先使用135MSPS然后使用210MSPS的采樣速率(fs)對三個ADS6148EVM進行數次實驗。我們沒有探測到有較大的性能差異。
使用135-MSPS采樣速率，SNR和SFDR的頻率掃描如圖12所示。高達300MHz輸入頻率下SNR的最大變化為0.1到0.2dB。但是，一旦移除了RC緩沖器電路，噪聲便極大增加，從而降低SNR約0.5到1dB。圖12b顯示了5次ADS6148實驗輸入頻率的SFDR變化。我們沒有觀測到 較大的性能降低。
圖12 10到300MHz的輸入頻率掃描
對比圖13所示FFT圖，我們知道了無RC緩沖器SNR稍微減少的原因。去 除RC緩沖器電路后，在ADS6148輸出能譜中，我們可以看到分布間隔約為500kHz(TPS5420開關頻率)的眾多小雜散，如圖13所示。相比ADS5483， 這些小雜散更占主導，并且因為ADS6148的固有低PSRR SNR大大降低。但 是，圖13所示FFT圖還表明添加的RC緩沖器電路較好地彌補了這一不足。
圖13大批雜散的65k點FFT圖
圖14所示標準化FFT圖表明開關穩(wěn)壓器的雜散高出ADC平均噪聲層約5到6dB。其非常低，以至于其對SFDR減少無法產生影響，但卻明顯地影響了ADC的SNR。
圖14標準化FFT圖表明使用RC緩沖器的好處
